DE112017000272T5 - Sekundärbatterieverwaltung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Verwalten eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem mindestens eine Batteriezelle, mindestens einen Sensor, der ausgebildet ist zum Messen mindestens einer Charakteristik der Batteriezelle, und ein Batterieverwaltungssystem, das einen Mikroprozessor und einen Speicher enthält, enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen, durch das Batterieverwaltungssystem, von dem mindestens einen Sensor mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt. Das Batterieverwaltungssystem schätzt mindestens einen Zustand der Batteriezelle durch Anwenden eines physikbasierten Batteriemodells, wobei das physikbasierte Batteriemodell auf differential-algebraischen Gleichungen basiert; und Regeln, durch das Batterieverwaltungssystem, mindestens eines des Ladens oder Entladens der Batteriezelle auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands.

Description

• ERKLÄRUNG BEZÜGLICH AUS BUNDESMITTELN GEFÖRDERTER
• FORSCHUNG
• Die vorliegende Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter der von dem U.S. Department of Energy vergebenen ARPA-E-Vergabenummer DE- AR0000278 . Die US-Regierung besitzt an der Erfindung bestimmte Rechte.
• ERFINDUNGSGEBIET
• Die Erfindung betrifft allgemein Batterien, und insbesondere die Verwaltung einer Sekundärbatterie.
• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Wiederaufladbare Lithiumbatterien sind attraktive Energiespeichereinrichtungen für tragbare elektrische und elektronische Geräte und elektrische und hybridelektrische Fahrzeuge wegen ihrer im Vergleich zu anderen elektrochemischen Energiespeichereinrichtungen hohen spezifischen Energie. Eine typische Lithiumzelle enthält eine negative Elektrode, eine positive Elektrode und einen Separator, der sich zwischen der negativen und positiven Elektrode befindet. Beide Elektroden enthalten aktive Materialien, die umkehrbar mit Lithium reagieren. In einigen Fällen kann die negative Elektrode Lithiummetall enthalten, das elektrochemisch aufgelöst und umkehrbar abgeschieden werden kann. Der Separator enthält einen Elektrolyten mit einem Lithiumkation und dient als eine physische Barriere zwischen den Elektroden, so dass keine der Elektroden innerhalb der Zelle elektrisch verbunden sind.
• Während des Ladens werden typischerweise Elektronen an der positiven Elektrode erzeugt und eine gleiche Menge an Elektronen an der negativen Elektrode verbraucht. Während des Entladens treten entgegengesetzte Reaktionen auf.
• Während wiederholter Lade-/Entladezyklen der Batterie treten unerwünschte Nebenreaktionen auf. Diese unerwünschten Nebenreaktionen führen zu der Reduktion der Kapazität der Batterie, Leistung bereitzustellen und zu speichern.
• KURZFASSUNG
• Zu traditionellen Ansätzen für das Verwalten der unerwünschten Nebenreaktionen in einer Batterie zählt das Begrenzen (oder anderweitiges Steuern/Regeln) der Rate des Ladens/Entladens der Batterie in einem Versuch, die unerwünschten Effekte zu minimieren. Diese Bemühungen resultieren können resultieren in verlängerten Ladezeiten und einer Reduktion der Spitzenleistung. Somit besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren für die Bestimmung der Zustände und Parameter innerhalb einer Sekundärbatterie, was dem Batterieverwaltungssystem gestattet, die Arbeit der Batterie effizient zu regeln.
• Eine kurze Darstellung von hierin offenbarten gewissen Ausführungsformen wird unten dargelegt. Es versteht sich, dass diese Aspekte lediglich vorgelegt werden, um dem Leser eine kurze Darstellung dieser gewissen Ausführungsformen zu geben, und dass diese Aspekte den Schutzbereich dieser Offenbarung nicht beschränken sollen. Tatsächlich kann diese Offenbarung eine Vielzahl von Aspekten einschließen, die möglicherweise nicht unten dargelegt sind.
• Ausführungsformen der Offenbarung betreffen Systeme und Verfahren zum Umsetzen eines Batterieverwaltungssystems, das verschiedene Zustände der Batterie beispielsweise durch Anwenden eines Extended-Kalman-Filters schätzt und vorhersagt.
• In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Verwalten eines Batteriesystems bereit, wobei das Batteriesystem mindestens eine Batteriezelle, mindestens einen Sensor, der ausgebildet ist zum Messen mindestens einer Charakteristik der Batteriezelle (z.B. Spannung, Strom und/oder Temperatur), und ein Batterieverwaltungssystem, das einem Mikroprozessor und einen Speicher enthält, enthält. Mindestens ein Zustand der mindestens einen Batteriezelle wird zu einem ersten Zeitpunkt durch Anwenden eines physikbasierten Batteriemodells geschätzt, das differential-algebraische Gleichungen anwendet, um physikalische Parameter einer chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle zu berücksichtigen. Mindestens eine gemessene Charakteristik der Batterie zu einem ersten Zeitpunkt wird durch das Batterieverwaltungssystem von dem Sensor empfangen. Der mindestens eine Zustand der mindestens einen Batteriezelle wird dann auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt aktualisiert. Die Arbeit der Batterie (z.B. das Laden oder Entladen) wird dann durch das Batterieverwaltungssystem auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands geregelt.
• Die Einzelheiten von einem oder mehreren Merkmalen, Aspekten, Umsetzungen und Vorteilen dieser Offenbarung sind in den beiliegenden Zeichnungen, der ausführlichen Beschreibung und den Ansprüchen unten dargelegt.
• Figurenliste
• 1A ist ein Blockdiagramm eines Batteriesystems, das eine Batteriezelle und ein Batterieverwaltungssystem mit einer in die Batteriezelle integrierten Erfassungsschaltungsanordnung enthält, gemäß einigen Ausführungsformen.
• 1B ist ein Blockdiagramm eines anderen Batteriesystems mit der außerhalb der Batteriezelle bereitgestellten Erfassungsschaltungsanordnung gemäß anderen Ausführungsformen.
• 2A ist ein Funktionsblockdiagramm eines Batteriesystems, das eine kombinierte Schätzstruktur anwendet, um beide physikalischen Parameter der Batteriezelle und Batteriezustandsinformationen gemeinsam zu schätzen, gemäß einigen Ausführungsformen.
• 2B ist ein Funktionsblockdiagramm eines Batteriesystems, das physikalische Parameter der Batteriezelle und Batteriezustandsinformationen separat schätzt, gemäß einigen Ausführungsformen.
• 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Batterieverwaltungssystems zum Regeln einer Batteriezelle durch Schätzen von Batteriezuständen und Parametern gemäß einigen Ausführungsformen.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen werden unten beschrieben. Verschiedene Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen ergeben sich dem Fachmann ohne Weiteres, und die hier definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewendet werden, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Somit sind die beschriebenen Ausführungsformen nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern ihnen soll der breiteste Schutzbereich gewährt werden, der mit den hierin offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmt.
• Eine Ausführungsform eines Batteriesystems 100A ist in 1A gezeigt. Das Batteriesystem 100A enthält eine Anodenfahne 110A, eine Anode 120A, einen Separator 130A, eine Kathode 150A, eine Kathodenfahne 160A, eine Erfassungsschaltungsanordnung 170A und ein Batterieverwaltungssystem 180A. Bei einigen Beispielen kann der Separator 130A ein elektrisch isolierender Separator sein. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der elektrisch isolierende Separator einen porösen Polymerfilm. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Dickenabmessung der Komponenten einer Batteriezelle 102A für die Anode 120A etwa 5 bis etwa 110 Mikrometer betragen, für den Separator 130A weniger als etwa 50 Mikrometer oder in gewissen Ausführungsformen weniger als etwa 10 Mikrometer und für die Kathode 150A etwa 50 bis etwa 110 Mikrometer.
• Während des Entladens der Batteriezelle 102A wird Lithium an der Anode 120A unter Bildung eines Lithiumions oxidiert. Das Lithiumion migriert durch den Separator 130A der Batteriezelle 102A zur Kathode 150A. Während des Ladens kehren die Lithiumionen zur Anode 120A zurück und werden zu Lithium reduziert. Das Lithium kann im Fall einer Lithiumanode 120A als Lithiummetall auf der Anode 120A abgeschieden werden oder im Fall einer Insertionsmaterialanode 120A wie etwa Graphit in die Hoststruktur eingelagert werden, und der Prozess wird mit nachfolgenden Lade- und Entladezyklen wiederholt. Im Fall einer Graphit- oder einer anderen Li-Insertionselektrode werden die Lithiumkationen mit Elektronen und dem Hostmaterial (z.B. Graphit) kombiniert, was zu einer Zunahme bei dem Lithiierungsgrad oder „Ladezustand“ des Hostmaterials führt. Beispielsweise x Li⁺ + x e^- + C₆ →Li_xC₆.
• Die Anode 120A kann ein oxidierbares Material wie etwa Lithium oder ein Insertionsmaterial, das Li oder irgendein anderes Ion wie etwa Na, Mg usw. einlagern kann, umfassen. Die Kathode 150A kann verschiedene Materialien wie etwa Schwefel oder schwefelhaltige Materialien (z.B. Polyacrylonitril-Schwefel-Kompositwerkstoffe (PAN-S-Kompositwerkstoffe), Lithiumsulfid (Li₂S)); Vanadiumoxide wie Vanadiumpentoxid (V₂O₅); Metallfluoride wie etwa Fluoride von Titan, Vanadium, Eisen, Kobalt, Wismut, Kupfer und Kombinationen davon; Lithiuminsertionsmaterialien wie etwa Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), lithiumreiches NMC, Lithium-Nickel-Manganoxid (LiNi_0.5Mn_1.5O₄), lithiumreiche geschichtete Oxide wie etwa Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), Lithium-Manganoxid (LiMn₂O₄), Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) und Kombinationen davon umfassen. Die Partikel können weiterhin in einer porösen, elektrisch leitfähigen Matrix suspendiert sein, die ein polymeres Bindemittel und elektrisch leitfähiges Material wie etwa Kohlenstoff (Ruß, Graphit, Karbonfaser usw.) enthält. Bei einigen Beispielen kann die Kathode ein elektrisch leitfähiges Material mit einer Porosität von über 80% umfassen, um die Ausbildung und Abscheidung/Speicherung von Oxidationsprodukten wie etwa Lithiumperoxid (Li₂O₂) oder Lithiumsulfid (Li₂S) in dem Kathodenvolumen zu gestatten. Die Fähigkeit zum direkten Abscheiden des Oxidationsprodukts bestimmt die aus der Batteriezelle erhältliche maximale Leistung. Zu Materialien, die die benötigte Porosität bereitstellen, zählen Ruß, Graphit, Karbonfasern, Karbonnanoröhren und andere Nicht-Kohlenstoffmaterialien. Die Poren der Kathode 150A, des Separators 130A und der Anode 120A werden mit einem ionenleitendem Elektrolyt gefüllt, der ein Salz wie etwa Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆) enthält, der dem Elektrolyten eine adäquate Leitfähigkeit verleiht, was den elektrischen Innenwiderstand der Batteriezelle reduziert. Die Elektrolytlösung verstärkt den Ionentransport innerhalb der Batteriezelle 120A. Verschiedene Arten von Elektrolytlösungen sind erhältlich, einschließlich nichtwässriger flüssiger Elektrolyten, Ionenflüssigkeiten, fester Polymere, Glas-Keramik-Elektrolyten, und andere geeignete Elektrolytlösungen.
• Der Separator 130A kann ein oder mehrere elektrisch isolierende ionenleitende Materialien umfassen. Bei einigen Beispielen zählen zu den geeigneten Materialien für den Separator 130A poröse Polymere, Keramiken und zweidimensionale Blattstrukturen wie etwa Graphen, Bornitrid und Dichalcogenide.
• Das Batterieverwaltungssystem 180A ist kommunikativ mit der Batteriezelle 102A verbunden. In einem Beispiel ist das Batterieverwaltungssystem 180A über elektrische Verbindungen (z.B. Drähte) elektrisch mit der Batteriezelle 102A verbunden. In einem weiteren Beispiel kann das Batterieverwaltungssystem 180A über ein Drahtloskommunikationsnetzwerk drahtlos mit der Batteriezelle 102A verbunden sein. Das Batterieverwaltungssystem 180A kann beispielsweise einen Mikrocontroller enthalten (mit Speicher und Eingabe-/Ausgabekomponenten auf einem einzelnen Chip oder innerhalb eines einzelnen Gehäuses) oder kann separat ausgebildete Komponenten enthalten, beispielsweise einen Mikroprozessor, einen Speicher und Eingabe-/Ausgabekomponenten. Das Batterieverwaltungssystem 180A kann auch unter Verwendung anderer Komponenten oder Kombinationen von Komponenten umgesetzt werden, einschließlich beispielsweise eines digialen Signalprozessors (DSP), einer applikationsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), eines feldprogrammierbaren Gatearray (FPGA) oder einer anderen Schaltungsanordnung. Je nach der gewünschten Ausbildung kann der Prozessor eine oder mehrere Levels des Caching wie etwa einen Level-Cache-Speicher, einen oder mehrere Prozessorkerne und Register enthalten. Der beispielhafte Prozessorkern kann eine arithmetische Logikeinheit (ALU), eine Fließkommaeinheit (FPU) oder eine beliebige Kombination davon enthalten. Das Batterieverwaltungssystem 180A kann auch eine Benutzerschnittstelle, eine Kommunikationsschnittstelle enthalten, und andere Computer-implementierte Einrichtungen zum Durchführen von hier nicht definierten Merkmalen können in das System integriert sein. In einigen Beispielen kann das Batterieverwaltungssystem 180A andere Computer-implementierte Einrichtungen wie etwa eine Kommunikationsschnittstelle, eine Benutzerschnittstelle, eine Netzwerkkommunikationsverbindung und einen Schnittstellenbus zum Erleichtern der Kommunikation zwischen verschiedenen Schnittstelleneinrichtungen, Computer-implementierten Einrichtungen und einer oder mehreren peripheren Schnittstellen zu dem Mikroprozessor enthalten.
• In dem Beispiel von 1A speichert ein Speicher des Batterieverwaltungssystems 180 computerlesbare Anweisungen, die bei Ausführung durch den Elektronikprozessor des Batterieverwaltungssystems 180A bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem und insbesondere der Elektronikprozessor die Leistung von verschiedenen Funktionen oder Verfahren, die dem Batterieverwaltungssystem 180A hier zugewiesen sind (z.B. Berechnen eines Zustands oder Parameters des Batteriesystems, Regeln der Arbeit des Batteriesystems, Detektieren eines internen Kurzschlusses von einer Dendritbildung) durchführen oder steuern. Der Speicher kann beliebige transitorische, nicht-transitorische, flüchtige, nichtflüchtige, magnetische, optische oder elektrische Medien beinhalten, wie etwa einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Arbeitsspeicher (ROM), einen nichtflüchtigen RAM (NVRAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren ROM (EEPROM), einen Flash-Speicher oder beliebige andere digitale oder analoge Medien. Die dem Batterieverwaltungssystem 180A hierin zugewiesenen Funktionen können als Software, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination davon verkörpert sein. In einem Beispiel kann das Batterieverwaltungssystem 180A in einer Recheneinrichtung eingebettet sein, und die Erfassungsschaltungsanordnung 170A ist ausgebildet zum Kommunizieren mit dem Batterieverwaltungssystem 180A der Recheneinrichtung außerhalb der Batteriezelle 102A. In diesem Beispiel ist die Erfassungsschaltungsanordnung 170A ausgebildet, mit dem Batterieverwaltungssystem 180A eine drahtlose und/oder verdrahtete Kommunikation zu haben. Beispielsweise sind die Erfassungsschaltungsanordnung 170A und das Batterieverwaltungssystem 180A der externen Einrichtung ausgebildet, miteinander über ein Netzwerk zu kommunizieren. Bei noch einem weiteren Beispiel befindet sich das Batterieverwaltungssystem 180A abgesetzt an einem Server, und die Erfassungsschaltungsanordnung 170A ist ausgebildet zum Übertragen von Daten der Batteriezelle 102A zu dem Batterieverwaltungssystem 180A. In den obigen Beispielen ist das Batterieverwaltungssystem 180A ausgebildet zum Empfangen der Daten und Senden der Daten an eine Elektronikeinrichtung zur Anzeige als menschenlesbares Format. Die Recheneinrichtung kann ein Mobiltelefon, ein Tablet, ein Personal Digital Assistant (PDA), ein Laptop, ein Computer, eine Wearable-Einrichtung oder eine andere geeignete Recheneinrichtung sein. Das Netzwerk kann ein Cloud-Rechennetzwerk, ein Server, ein drahtloses Netzwerk (WAN), ein lokales Netzwerk (LAN), ein fahrzeuginternes Netzwerk, ein Cloud-Rechennetzwerk oder ein anderes geeignetes Netzwerk sein.
• Das Batterieverwaltungssystem 180A ist ausgebildet zum Empfangen von Daten von der Erfassungsschaltungsanordnung 170A einschließlich Strom-, Spannungs- und/oder Widerstandsmessungen. Das Batterieverwaltungssystem 180A ist auch ausgebildet zum Bestimmen eines Zustands der Batteriezelle 102A. Auf Basis des bestimmten Zustands der Batteriezelle 102A kann das Batterieverwaltungssystem 180A die Arbeitsparameter der Batteriezelle 102A abändern, um die interne Struktur der Batteriezelle 102A aufrechtzuerhalten. Das Batterieverwaltungssystem 180A kann auch einen Benutzer über den Zustand der Batteriezelle 102A informieren.
• In anderen Ausführungsformen können die physische Platzierung und Ausbildung von verschiedenen Komponenten modifiziert werden. Beispielsweise veranschaulicht 1B ein weiteres Beispiel eines Batteriesystems 100B, das eine Batteriezelle 102B, eine Anodenfahne 110B, eine Anode 120B, einen Separator 130B, eine Kathode 150B, eine Kathodenfahne 160B, eine Erfassungsschaltungsanordnung 170B und ein Batterieverwaltungssystem 180B enthält. In dem Beispiel von 1B jedoch befindet sich die Erfassungsschaltungsanordnung 170B außerhalb der Batteriezelle 102B und kann in das gleiche Gehäuse wie das Batterieverwaltungssystem 180B integriert sein.
• In einigen Ausführungsformen kann die Batteriezelle 102A, 102B ein geschlossenes System sein. Bei einem derartigen System wird, nachdem die Batteriezelle 102A, 102B hergestellt ist, die Hülle versiegelt, um zu verhindern, dass externe Elemente wie etwa Luft und Feuchtigkeit in die Batteriezelle 102A, 102B eindringen und potentiell eine Verschlechterung von Komponenten verursachen, was zu reduzierter Leistung und kürzerer Lebenszeit führt. In der folgenden Erörterung werden Beispiele, die sich auf Komponenten sowohl im Batteriesystem 100A als auch im Batteriesystem 100B beziehen, die Bezugszahl ohne die Bezeichnung A oder B verwenden (z.B. Anode 120 anstatt Anode 120A und Anode 120B).
• Eine geschlossene Batteriezelle 102 stellt jedoch für das Batterieverwaltungssystem 180 verschiedene Herausforderungen dar. Das geschlossene System gestattet keine direkte Beobachtung des Zustands der Komponenten der Batteriezelle 102. Stattdessen können Zustände, wie durch die Erfassungsschaltungsanordnung 170 überwacht und gemessen, verarbeitet oder evaluiert werden, um verschiedene Charakteristika der Batteriezelle 102 wie etwa Spannung, Strom, Widerstand, Leistung, Temperatur und Kombinationen davon während der Arbeit oder im Ruhezustand zu bestimmen und jene gemessenen Charakteristika an ein Batterieverwaltungssystem 180 weiterzugeben, das die gemessenen Charakteristika interpretieren kann, um den Zustand der Batteriezelle 102 zu bestimmen.
• Es sind verschiedene Rechenmodelle entwickelt worden, um die innerhalb einer Batteriezelle auftretenden elektrochemischen Reaktionen zu modellieren. Ein Beispiel, das Doyle-Fuller-Newman(DFN)-Modell, wurde von Doyle, Fuller und Newman entwickelt (J. Electrochem. Soc., Band 140, Nr. 6, Juni 1993, S. 1526-1533), dessen Inhalt hier unter Bezugnahme in seiner Gänze aufgenommen ist. Das DFN-Modell liefert ein mathematisches Modell, mit dem die innerhalb der Batteriezelle 102 auftretenden elektrochemischen Prozesse auf Basis der gemessenen Charakteristika geschätzt werden können.
• Eine zwischen dem Lithium der Anode 120 und einem Polymerelektrolyt auftretende Ladungstransferreaktion kann der Butler-Volmer-Kinetik entsprechen, wie wiedergegeben durch die Gleichung $$\text{Li}+{\mathrm{\Theta }}_{\text{p}}\leftrightarrow {\text{Li}}^{+}-{\mathrm{\Theta }}_{\text{p}}\mathrm{+}{\text{e}}^{-}$$

  

  wobei Θ_p eine Stelle im Polymergitter darstellt.
• Die Stromdichte der Batteriezelle 102 kann dann durch folgende Gleichung dargestellt werden: $$I=i_{\text{o}1}\left[\text{exp}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{a1}}F{\mathrm{\eta }}_{\text{s1}}/\text{RT}\right)-\text{exp}\left(-{\mathrm{\alpha }}_{\text{c1}}F{\mathrm{\eta }}_{\text{s1}}/\text{RT}\right)\right]$$

  

  wobei I die Stromdichte der Zelle ist, i_o1 die interne Austauschstromdichte ist, F die Faraday-Konstante ist, η_s1 die Überspannung ist, R die ideale Gaskonstante ist, T die Temperatur ist und α_a1 und α_c1 Koeffizienten sind.
• Die Überspannung η_s1 in Gleichung (2) kann weiterhin dargestellt werden durch die Gleichung: $${\mathrm{\eta }}_{\text{s1}}={\mathrm{\Phi }}_1-{\mathrm{\Phi }}_2-{\text{U}}_1$$

  

  wobei Φ₁ und Φ₂ das Potential der festen Phase bzw. Polymerphase darstellen. U₁ von Gleichung 3 stellt das theoretische Ruhepotential dar. In einigen Fällen kann U₁ als Null angenommen werden.
• Analog kann eine Ladungstransferreaktion mit Lithiuminsertion, die an der Kathode 150 der Batteriezelle 102 auftritt, durch folgende Gleichung dargestellt werden: $${\text{Li}}^{+}-{\mathrm{\Theta }}_{\text{p}}+{\mathrm{\Theta }}_{\text{s}}+{\text{e}}^{-}\leftrightarrow \text{Li}\mathrm{-}{\mathrm{\Theta }}_{\text{s}}+{\mathrm{\Theta }}_{\text{p}}$$

  

  wobei Θ_p eine Stelle im Polymergitter darstellt und Θ_s eine Insertionsstelle in der Kathode 150 darstellt.
• Die Stromdichte der Batteriezelle 102 kann dann durch folgende Gleichung dargestellt werden: $$\text{i}=F{\text{k}}_2{\left({\text{c}}_{\text{max}}-\text{c}\right)}^{{\mathrm{\alpha }}_{\text{c}}}{\text{c}}^{{\mathrm{\alpha }}_A}\left[{\text{c}}_{\text{s}}\text{exp}\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{a}}F/\text{RT}\left(\mathrm{\eta -}\text{U'}\right)\right)-\left({\text{c}}_{\text{T}}-{\text{c}}_{\text{s}}\right)\text{exp}\left(-\left({\mathrm{\alpha }}_{\text{c}}F/\text{RT}\right)\left(\mathrm{\eta -}\text{U'}\right)\right)\right]$$

  

  wobei i die Stromdichte ist, k₂ eine Ratenkonstante ist, F die Faraday-Konstante ist, η die Überspannung ist, R die ideale Gaskonstante ist, T die Temperatur ist und α_a1 und α_c1 Koeffizienten sind, c_max die maximale Ionenkonzentration im Polymer ist, c die Elektrolytkonzentration ist, c_T die maximale Konzentration in der festen Phase ist und c_s die Konzentration in der festen Phase ist und U' das Ruhepotential darstellt.
• Die Ladungstransferreaktionen am Knoten 120, Gleichung (1) und Kathode 150, Gleichung (4), wie durch ein elektrochemisches Modell modelliert, könenn zum Beschreiben verschiedener Zustände und Parameter der Batteriezelle 102 sowohl während des Ladens als auch Entladens der Batteriezelle 102 verwendet werden. Eine genaue Zustandsschätzung erfordert eine genaue Kenntnis der physikalischen Parameter der Batterie - und diese können variieren, wenn die Batterie altert. Beispielsweise können im Laufe der Zeit die Volumenanteile an aktivem Material in jeder Elektrode abnehmen, da Lithium in Nebenreaktionen verbraucht wird. Deshalb gestattet eine Schätzung von physikalischen Parametern dem Batterieverwaltungssystem, genaue Informationen über den Ladezustand und den Gesundheitszustand der Batterie gegenwärtig und im Laufe der Lebenszeit der Batterie zu erhalten. Verschiedene physikalische/chemische Parameter könnten geschätzt werden, einschließlich beispielsweise Volumenanteile an aktiven Materialien; Anodenpartikelradius, Ionendiffusionsraten in der Anode 120, Kathode 150 und Elektrolyt; Interkalationsstrom und Überführungszahl; Lösungsleitfähigkeit in der Anode 120, Kathode 150 und Elektrolyt; Zellenporosität der Anode 120 und Kathode 150; und Gleichgewichtspotential der Anode 120 und Kathode 150. Wenn diese physikalischen/chemischen Parameter geschätzt werden, können sie zum Bereitstellen von Zustandsinformationen bezüglich der Batteriezelle verwendet werden. Beispielsweise kann der Kathodenpartikelradius aufgrund des Lithiierungsgrads der Kathode 150 variieren und deshalb den Ladezustand der Batteriezelle 102 anzeigen.
• Die Berechnung eines physikbasierten oder auf Elektrochemie basierenden Modells kann zahlreiche partielle Differentialgleichungen enthalten, um das Verhalten der verschiedenen Parameter innerhalb der Batteriezelle 102 zu beschreiben. Ein Batterieverwaltungssystem 180 basiert auf der rechnerischen Fähigkeit zum effizienten Schätzen der Werte der Parameter durch Lösen der Gleichungen des Modells. Partielle Differentialgleichungen sind in ihrer Lösung rechenintensiv. Verschiedene Ausführungsformen reduzieren die Rechenzeit, die nötig ist, um nach den durch die partiellen Differentialgleichungen beschriebenen Parametern zu lösen, durch Anwenden von mathematischen Verfahren, um die partiellen Differentialgleichungen in differential-algebraische (DAE) Gleichungen zu transformieren, die weniger rechenintensiv sind.
• Weiterhin werden statistische Verfahren eingesetzt, um die Genauigkeit der Schätzung der verschiedenen Parameter der Batteriezelle 102 zu verbessern. In einer Ausführungsform umfasst das statistische Verfahren ein Extended-Kalman-Filter (EKF). Ein EKF beschreibt das Prozessmodell als ein nichtlineares zeitlich variierendes Modell in diskreter Zeit, verwendet aber bei jedem Zeitschritt eine lokale Linearisierung, wie durch die Gleichungen (6) und (7) dargestellt. $$x_{\text{k}+\text{1}}={\text{A}}_{\text{k}}{x}_{\text{k}}+{\text{B}}_{\text{k}}{u}_{\text{k}}+{\text{N}}_{\text{k}}{w}_{\text{k}}$$

  

  $$y_{\text{k}}={\text{C}}_{\text{k}}{x}_{\text{k}}+{\text{D}}_{\text{k}}{u}_{\text{k}}+v_{\text{k}}$$

  

  wobei x_k ∈ Rⁿ der Zustand ist, u_k ∈ R^m die Eingabe ist, y_k ∈ R^p die Ausgabe ist, w_k ∈ R^o das Prozessrauschen ist und v_k ∈ R^p das Messrauschen ist. Jede der Größen von Gleichungen (6A) und (6B) können Skalare oder Vektoren auf Basis des Modells der Batteriezelle 102 sein. Die Matrizen A, B, C, D werden aus der lokalen Linearisierung eines nichtlinearen Modells bei jedem Zeitschritt erhalten; diese Linearisierung kann entweder analytisch oder numerisch durchgeführt werden.
• Der Satz von Ausgaben von dem elektrochemischen Modell über das EKF können eine Schätzung von beiden, sich schnell verändernden Zuständen der Batteriezelle 102 und eine Schätzung von sich langsam verändernden Parametern der Batteriezelle 102 beinhalten. In einigen Ausführungsformen gestattet der Zustand der Batteriezelle 102 in Kombination mit der vorliegenden Eingabe in das mathematische Modell, dass das Modell die gegenwärtige Ausgabe der Batteriezelle 102 vorhersagt. Zu Zuständen einer Batteriezelle können beispielsweise der Ladezustand (z.B. für eine Lithiumbatterie der Lithiierungsgrad) oder Überspannungen zählen. Parameter der Batteriezelle 102 variieren typischerweise über der Zeit langsamer als die Zustände der Batteriezelle 102. Außerdem ist möglicherweise kein Parameter erforderlich, damit das Modell die vorliegende Ausgabe der Batteriezelle 102 vorhersagt. Stattdessen betrifft die Kenntnis der Parameter der Batteriezelle, die als der Gesundheitzustand der Batterie bezeichnet werden können, das langfristige Funktionieren der Batteriezelle 102. Außerdem umfassen einige Ausführungsformen Parameter, die durch die Messung der Charakteristika der gegenwärtigen Batteriezelle 102 nicht direkt bestimmt werden können. Zu Beispielen für Parameter der Batteriezelle 102 zählen die Volumenanteile von aktiven Materialien in der Anode und Kathode, insgesamt zyklierbares Lithium in der Zelle, Elektrolytleitfähigkeit und Radien von Partikeln in den Elektroden.
• Eine Ausführungsform eines Batteriesystems 200A ist in 2A gezeigt. Das Batteriesystem 200A enthält ein Batterieverwaltungssystem 205A, das eine kombinierte Schätzstruktur anwendet, um sowohl physikalische Parameter der Batteriezelle als auch Batteriezustandsinformationen gemeinsam zu schätzen, die ein Regelkreismodul 210A und einen Zustands- und Parameterschätzer 220A enthält. Beispielsweise umfasst das Regelkreismodul 210A ein Vorwärtskopplungsmodul 212A und ein Rückkopplungsmodul 214A, was es dem Batterieverwaltungssystem gestattet, die Arbeit einer Batterie 290A zu regeln. Die Batterie 290A befindet sich in betriebsbereiter Kommunikation mit dem Batterieverwaltungssystem 205A. In einigen Ausführungsformen kann die Batterie 290A eine oder mehrere Batteriezellen 102 umfassen. Das Batteriesystem 200A kann sich in betriebsbereiter Kommunikation mit externen Quellen von Eingaben in das Batteriesystem 200A befinden. Eine gewünschte Ausgabe 230A durch eine externe Quelle kann in das Batterieverwaltungssystem 205A eingegeben werden. Auch ein Steuerkreisbefehl 240A kann an das Batteriesystem 200A über das Batterieverwaltungssystem 205A und/oder direkt in die Batterie 290A eingegeben werden.
• Das Batterieverwaltungssystem 205A kann die zuvor für das Batterieverwaltungssystem 180 von 1A beschriebenen Komponenten umfassen. Außerdem umfasst das Batterieverwaltungssystem 205A in gewissen Ausführungsformen des Batteriesystems 200A ein Regelkreismodul 210A, das weiterhin ein Vorwärtskopplungsmodul 212 und ein Rückkopplungsmodul 214A umfasst. Das Vorwärtskopplungsmodul 212A steht in betriebsbereiter Kommunikation mit dem Zustands- und Parameterschätzer 220A sowie mit externen Quellen, die als Eingaben verschiedener Befehle wie etwa gewünschter Ausgaben 230A und/oder Steuerkreisbefehle 240A liefern können. Das Vorwärtskopplungsmodul 212A kann mindestens ein Steuersignal an die Batterie 290A liefern. Das Vorwärtskopplungsmodul 212 kann auch mindestens ein Steuersignal an den Zustands- und Parameterschätzer 220A liefern.
• Das Rückkopplungsmodul 214A befindet sich in betriebsbereiter Kommunikation mit dem Zustands- und Parameterschätzer 220A. Das Rückkopplungsmodul 214A empfängt die durch den Zustands- und Parameterschätzer 220A berechneten geschätzten Zustände und Parameter und kann mindestens ein Steuersignal an die Batterie 290A liefern. Das Rückkopplungsmodul 214A kann ebenfalls mindestens ein Steuersignal an den Zustands- und Parameterschätzer 220A liefern.
• Eine weitere Ausführungsform eines Batteriesystems 200B ist in 2B gezeigt. 2B ist identisch mit FIG. 2A, außer dass der Zustands- und Parameterschätzer 220A von 2A durch einen Zustandsschätzer 222B und einen Parameterschätzer 224B ersetzt ist. Der Zustandsschätzer 222B und der Parameterschätzer 224B liefern danach Zustands- und Parameterschätzungen auf ähnliche Weise an das Rückkopplungsmodul 214B wie für den Zustands- und Parameterschätzer 220A von 2A beschrieben.
• Das Regelkreismodul 210B enthält sowohl ein Vorwärtskopplungsmodul 212B als auch ein Rückkopplungsmodul 214B. Das Regelkreismodul 210B kann auch von Steuerkreisquellen wie etwa externen Quellen empfangene Sollpunkte enthalten. Das Regelkreismodul 210B liefert mindestens ein Steuersignal auf Basis des Vorwärtskopplungsmoduls 212B und des Rückkopplungsmoduls 214B. Die Vorwärtskopplungskomponente kann von einem mathematischen Modell oder von vorbestimmten Sollpunkten abgeleitet werden. Die Rückkopplungskomponente basiert auf internen Zustands- und Parameterschätzungen auf Basis eines physikalischen Modells (z.B. eines auf Elektrochemie basierenden Modells der Batterie 290B).
• In dem Beispiel von 2A kann der Zustands- und Parameterschätzer 220A ein EKF-basierter Schätzer sein, der gleichzeitig die Zustände und Parameter der Batterie 290A bei jedem Zeitschritt schätzt. Um die Gesamtumsetzung weniger rechenintensiv zu machen, kann eine Doppelschätzung verwendet werden, wie in dem Beispiel von 2B (d.h., wo Zustände und Parameter separat geschätzt werden). Durch Trennen der Schätzung in die Zustandsschätzung 222 und die Parameterschätzung 224 kann die Rechenintensität reduziert werden. Die Änderungsrate der Zustände der Batteriesysteme 200A und 200B ist typischerweise schneller als die Änderungsrate der Parameter der Batteriesysteme 200A und 200B. Bei einigen Ausführungsformen ist die Häufigkeit der Aktualisierungen der Parameter des Batteriesystems 200B kleiner als die Häufigkeit der Aktualisierungen der Zustände des Batteriesystems 200B.
• Bei einigen Ausführungsformen kann die Trennung der Zustands- und Parameterschätzung in separate Schätzer 222B und 224B gestatten, dass der Zustandsschätzer 222B und/oder der Parameterschätzer 224B sich getrennt von der Batterie 290B befinden. In gewissen Ausführungsformen können der Zustandsschätzer 222B und/oder der Parameterschätzer 224B durch Drahtloskommunikation in betriebsbereiter Kommunikation mit den anderen Elementen des Batteriesystems 200B stehen.
• Ein Beispiel für ein Verfahren zum Schätzen von Parametern und Zuständen unter Verwendung von physikbasierten Techniken durch Durchführen einer Zeitaktualiserung und einer Messungsaktualisierung ist in 3 gezeigt.
• Beim ersten Zeitschritt wird eine Anfangsschätzung der Zustände und Parameter als Teil der Zeitaktualisierung des Batteriemodells definiert (Schritt 310). Der jakobische Ort des Systems wird evaluiert (Schritt 320), und eine Anfangsschätzung der Rauschkovarianzmatrix wird bestimmt (Schritt 330). Zum Zeitpunkt t beinhaltet die Zeitaktualisierung des Batteriemodells (Schritt 310), wenn die aktuellen Zustands- und Parameterschätzungen auf Basis der jüngsten Messung gegeben sind, das Simulieren des physikbasierten Batteriemodells über einen Zeitschritt (t+1).
• Für dieses Beispiel wird die Systemmodellierung/-schätzung auf Basis von differential-algebraischen Gleichungen (DAEs) durchgeführt, doch kann die Schätzung in anderen Umsetzungen auf andere Modellformen angewendet werden. Das DAE-Modell kann durch folgende Gleichungen dargestellt werden: $${\dot{x}}_1=f\left(x_1,x_2,I,P\right)$$

  

  $$\dot{P}=0$$

  

  $$0=g\left(x_1,x_2,I,P\right)$$

  

  $$y=h\left(x_1,x_2,I,P\right)$$

  

  wobei x₁ die Differentialzustände darstellt, x₂ die algebraischen Zustände darstellt, P den Parametervektor darstellt und I die aktuellen Eingaben darstellt, die zum Steuern der Batteriearbeit verwendet werden.
• Wie oben angemerkt, erfordert das Aktualisieren der Kovarianzmatrix (Schritt 330) die Ableitung des jakobischen Orts des Systems bezüglich der Differentialzustände und -parameter (Schritt 320). Da das Modell bezüglich eines Satzes DAEs anstatt den gewöhnlichen Differentialgleichungen (ODEs) abgeleitet wird, wird ein modifizierter jakobischer Ort verwendet, wie durch folgende Gleichung dargestellt: $$J_f\left[\begin{array}{cc}{f}_{x_1}-\frac{f_{x_2}{g}_{x_1}}{g_{x_2}}& f_P-\frac{f_{x_2}{g}_P}{g_{x_2}}\\ 0& 0\end{array}\right]$$

  

  wobei f_x1, f_x2, f_P, g_x1, g_x2, und g_P Ableitungen von f und g bezüglich x₁, x₂ und P sind. Diese Ableitungen können entweder analytisch auf Basis der Funktionsformen von f und g oder numerisch durch eine Simulation des Modells erhalten werden.
• Nachdem der jakobische Ort des Systems abgeleitet ist (Schritt 320), wird die Rauschkovarianzmatrix dann aktualisiert (Schritt 330), wie durch folgende Gleichung dargestellt: $$CO{V}_{t+1|t}=J_{f}CO{V}_{t|t}{J}_f^T+Q$$

  

  wobei COV_t+1|t die Kovarianz bei t+1 ist, J_f der jakobische Ort von f ist, J^T _f die Transposition des jakobischen Orts von f ist, COV_t|t die Kovarianz bei t ist und Q eine positive definierte Matrix ist, die entweder festliegen oder mit der Zeit variieren kann.
• Die Zeitaktualisierungsschätzung wird weiterhin in dem Messungsaktualisierungsschritt auf Basis von verfügbaren Messungen der Charakteristika der Batterie 290 oder der Batteriezelle 102 aktualisiert (Schritt 370). Zu den Charakteristika können unter anderem eine Spannung, ein Strom, ein Widerstand, eine Temperatur oder Kombinationen davon der Batterie 290 oder Batteriezelle 102 zählen. Während nachfolgende Messungen erhalten werden, kann die Modellvorhersage verwendet werden, um einen Messfehler 350 zu erhalten (d.h. einen Fehler zwischen einer gemessenen Charakteristik der Batterie 340 und einem entsprechenden Wert, wie durch das DAE-Modell bestimmt) (Schritt 350). Dieser berechnete Messfehler wird dann vom System zum Aktualisieren und Verfeinern der Messungsaktualisierung (Schritt 370) verwendet, wie unten ausführlicher erörtert.
• Wiederum bei einem DAE-basierten System wird ein modifizierter jakobischer Ort (J_h) bezüglich der Ausgangsgleichung abgeleitet (Schritt 260), wie durch folgende Gleichung dargestellt: $$J_h=\left[\begin{array}{cc}{h}_{x_1}-\frac{h_{x_2}{g}_{x_1}}{g_{x_2}}& h_P-\frac{h_{x_2}{g}_P}{g_{x_2}}\end{array}\right]$$

  

  wobei h_x1, h_x2, h_P, g_x1, g_x2, und g_P Ableitungen von h und g bezüglich x₁, x₂ und P sind. Diese Ableitungen können entweder analytisch auf Basis der Funktionsformen von h und g oder numerisch durch eine Simulation des Modells erhalten werden.
• Während der Messungsaktualisierung werden die Kovarianzmatrix (in Schritt 330 erhalten) und der jakobische Ort (J_h) (in Schritt 360 erhalten) zum Ableiten der Kalman-Verstärkung (K_k) verwendet, was durch folgende Gleichung dargestellt ist: $$K_k=\frac{CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T}{J_{h}CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T+R}$$

  

  wobei K_k die Kalman-Verstärkung ist, R ein Maß für das mit jedem Element assoziierte Rauschen ist. Die anderen Variablen sind wie oben für Gleichung (13) definiert.
• Die Messungsaktualisierung (Schritt 370) bewirkt, dass die Kalman-Verstärkung (K_k) auf den Messfehler wirkt, um dann aktuelle, fehlerkorrigierte Zustands- und Parameterschätzungen bereitzustellen, wie durch folgende Gleichung dargestellt: $${\left[\begin{array}{c}\widehat{x}\\ \widehat{P}\end{array}\right]}_{t+1|t+1}={\left[\begin{array}{c}\widehat{x}\\ \widehat{P}\end{array}\right]}_{t+1|t+1}+K_k{y}_{err}$$

  
• Die Kovarianzmatrix für t+1 wird dann wieder auf Basis der Messungen bei t+1 aktualisiert (Schritt 380), wie durch folgende Gleichung dargestellt: $$CO{V}_{t+1|t+1}=\left(I-K_k{J}_h\right)CO{V}_{t+1|t}$$

  
• Die aktualisierten Zustände, Parameter und COV werden dann als die Basis (t) für die nächste Zeitaktualisierung 310 verwendet, während die nächste Iteration der Schätzung durchgeführt wird.
• Während der Prozess von 3 die gemeinsame Schätzung von Zuständen und Parametern wie in dem Beispiel von 2A beschreibt, kann er auf ein Doppel-Schätzungs-Rahmenwerk von 2B erweitert werden, wo die Zustände und Parameter separat auf ähnliche Weise mit zwei verschiedenen EKFs geschätzt werden. In der folgenden Erörterung verwenden Beispiele, die sich auf Komponenten sowohl im Batteriesystem 200A als auch im Batteriesystem 200B beziehen, die Bezugszahl ohne die Bezeichnung A oder B. Simulations- und Versuchsdaten zeigen, dass verschiedene Parameter und Zustände des elektrochemischen Modells unterschiedliche Rauschpegel und einen unterschiedlichen Einfluss auf die Ausgabe haben. Die Rausch- und Einflusspegel hängen vom Arbeitszustand der Batterie ab. Verschiedene Konzepte der Zustands-/Parameterempfindlichkeit können verwendet werden, um zu bestimmen, welche Zustände/Parameter für die Schätzung am kritischsten sind, sowie um die Rauschkovarianzmatrizen zu bestimmen, die zum Evaluieren der Filterverstärkungen bei jedem Zeitschritt verwendet werden. Beispielsweise können zu verschiedenen Konzepten über die Empfindlichkeit von Zuständen und Parametern, die verwendet werden können, a) partielle Ableitungen der Ausgabe gegenüber Zuständen und Parametern und b) Variationen in der Ausgabe über einen Ansteuerzyklus aufgrund von Störungen in Zuständen und Parametern zählen, um die Filterverstärkung während jedes Zeitschritts zu evaluieren.
• Die genaue Schätzung der Zustände und Parameter einer Batterie 290 kann gestatten, dass das Batterieverwaltungssystem 205 die Arbeit der Batterie 290 derart regelt, dass die Lebensdauer und Leistung der Batterie gesteigert werden. Beispielsweise kann das Batterieverwaltungssystem 205 durch Minimieren der Änderung bei Parametern der Batterie 290 gestatten, dass die Batterie 290 eine erhöhte Anzahl von Lade-/Entladezyklen erfährt, bevor sie ausgetauscht werden muss. Bei einigen Ausführungsformen kann das Batterieverwaltungssystem 205 das Laden der Batterie 290 regeln, um die effiziente Interkalierung der oxidierbaren Spezies zu gestatten, anstatt Abscheidung auf der Oberfläche der Elektrode. Dies kann die Bildung von Dendriten minimieren, wodurch die Möglichkeit der Bildung eines internen Kurzschlusses innerhalb der Batterie 290 begrenzt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann das Batterieverwaltungssystem 205 das Entladen der Batterie 290 regeln, um beispielsweise die von der Batterie 290 ausgegebene maximale Gesamtleistung zu erhalten.
• Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind beispielhaft gezeigt worden, und es versteht sich, dass diese Ausführungsformen sich für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen können. Es versteht sich weiterhin, dass die Ansprüche nicht durch die offenbarten bestimmten Formen beschränkt sein sollen, sondern vielmehr alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken sollen, die in den Gedanken und Schutzbereich dieser Offenbarung fallen.
• Es wird angenommen, dass hier beschriebene Ausführungsformen und viele ihrer sie begleitenden Vorteile durch die obige Beschreibung verstanden werden, und es ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Form, Konstruktion und Anordnung der Komponenten vorgenommen werden können, ohne von dem offenbarten Gegenstand abzuweichen oder ohne alle ihre wesentlichen Vorteile zu opfern. Die beschriebene Form ist lediglich erläuternd, und die folgenden Ansprüche sollen alle derartigen Änderungen einschließen und beinhalten.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• AR 0000278 [0001]

Claims (16)

1. Verfahren zum Verwalten eines Batteriesystems, wobei das Batteriesystem mindestens eine Batteriezelle, mindestens einen Sensor, der ausgebildet ist zum Messen mindestens einer Charakteristik der Batteriezelle, und ein Batterieverwaltungssystem, das einen Mikroprozessor und einen Speicher enthält, enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Schätzen, durch das Batterieverwaltungssystem, mindestens eines Zustands der mindestens einen Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt durch Anwenden eines physikbasierten Batteriemodells, das differential-algebraische Gleichungen anwendet, um physikalische Parameter einer chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle zu berücksichtigen; Empfangen, durch das Batterieverwaltungssystem von dem mindestens einen Sensor, mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batterie zu einem ersten Zeitpunkt; Aktualisieren, durch das Batterieverwaltungssystem, des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt; und Regeln, durch das Batterieverwaltungssystem, mindestens eines von Laden oder Entladen der Batterie auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands der mindestens einen Batteriezelle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle und das Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt das Anwenden eines Extended-Kalman-Filters beinhaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle weiterhin Folgendes beinhaltet: Bestimmen einer Rauschkovarianz; und Verstellen einer Verstärkung des Extended-Kalman-Filters auf Basis der bestimmten Rauschkovarianz.
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend das Berechnen eines Messfehlers auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt und der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zu einem vorausgegangenen Zeitpunkt, und wobei das Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle weiterhin das Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der verstellten Verstärkung des Extended-Kalman-Filters und des berechneten Messfehlers beinhaltet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verstellen der Verstärkung des Extended-Kalman-Filters das Berechnen einer verstellten Verstärkung auf Basis folgender Gleichung beinhaltet: $$K_k=\frac{CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T}{J_{h}CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T+R}$$

   

   wobei K_k die Verstärkung des Extended-Kalman-Filters ist, R ein Maß für das mit jedem Element des Kalman-Filters assoziierten Rauschens ist, J_h ist ein jakobischer Ort berechnet auf Basis des Messfehlers ist und COV eine berechnete Kovarianzmatrix des physikbasierten Batteriemodells ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Anwenden des Extended-Kalman-Filters das gemeinsame Schätzen, durch das Batterieverwaltungssystem, des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle und mindestens eines physikalischen Parameters der chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle beinhaltet.
7. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend das Anwenden eines zweiten Extended-Kalman-Filters zum separaten Schätzen mindestens eines physikalischen Parameters der chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle und Aktualisieren des mindestens einen physikalischen Parameters auf Basis mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batterie.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Regeln des mindestens einen von Laden und Entladen der Batterie auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands das Regeln einer Rate des Ladens oder Entladens beinhaltet.
9. Batterieverwaltungssystem umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor veranlassen, dass das Batterieverwaltungssystem Folgendes ausführt: Schätzen mindestens eines Zustands der mindestens einen Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt durch Anwenden eines physikbasierten Batteriemodells, das differential-algebraische Gleichungen anwendet, um physikalische Parameter einer chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle zu berücksichtigen; Empfangen mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batterie von einem Sensor, der mit der mindestens einen Batteriezelle assoziiert ist, zu einem ersten Zeitpunkt; Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt; und Regeln mindestens eines des Ladens oder Entladens der Batterie auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands der mindestens einen Batteriezelle.
10. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 9, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem einen Extended-Kalman-Filter beim Schätzen des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle und Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt anwendet.
11. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 10, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem den mindestens einen Zustand der mindestens einen Batteriezelle aktualisiert durch Bestimmen einer Rauschkovarianz; und Verstellen einer Verstärkung des Extended-Kalman-Filters auf Basis der bestimmten Rauschkovarianz.
12. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 11, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor weiterhin bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem einen Messfehler auf Basis der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zum ersten Zeitpunkt und der mindestens einen gemessenen Charakteristik der Batterie zu einem vorausgegangenen Zeitpunkt berechnet, und wobei die Anweisungen bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batteriesystem den mindestens einen Zustand der mindestens einen Batteriezelle weiter aktualisiert durch Aktualisieren des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle auf Basis der verstellten Verstärkung des Extended-Kalman-Filters und des berechneten Messfehlers.
13. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 12, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem die Verstärkung des Extended-Kalman-Filters verstellt durch Berechnen einer verstellten Verstärkung auf Basis der Gleichung: $$K_k=\frac{CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T}{J_{h}CO{V}_{t+1|t}{J}_h^T+R}$$

    

    wobei K_k die Verstärkung des Extended-Kalman-Filters ist, R ein Maß für das mit jedem Element des Kalman-Filters assoziierten Rauschens ist, J_h ein jakobischer Ort berechnet auf Basis des Messfehlers ist und COV eine berechnete Kovarianzmatrix des physikbasierten Batteriemodells ist.
14. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 10, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem den Extended-Kalman-Filter anwendet durch gemeinsames Schätzen, durch das Batterieverwaltungssystem, des mindestens einen Zustands der mindestens einen Batteriezelle und mindestens eines physikalischen Parameters der chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle.
15. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 10, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor weiterhin bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem ein zweites Extended-Kalman-Filter anwendet zum separaten Schätzen mindestens eines physikalischen Parameters der chemischen Zusammensetzung der mindestens einen Batteriezelle und Aktualisieren des mindestens einen physikalischen Parameters auf Basis mindestens einer gemessenen Charakteristik der Batterie.
16. Batterieverwaltungssystem nach Anspruch 9, wobei der Speicher Anweisungen speichert, die bei Ausführung durch den Prozessor bewirken, dass das Batterieverwaltungssystem das mindestens eine von Laden oder Entladen der Batterie regelt auf Basis des mindestens einen geschätzten Zustands enthält das Regeln einer Rate des Ladens oder Entladens.

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